合成孔径雷达差分干涉测量
合成孔径雷达干涉测量概述
合成孔径雷达⼲涉测量概述合成孔径雷达⼲涉测量（InSAR）简述摘要：本⽂主要介绍了合成孔径雷达⼲涉测量技术的发展简史、基本原理、及其3种基本模式，并且对其数据处理的基本步骤进⾏了概述。
最后，还讲述合成孔径雷达⼲涉测量的主要应⽤，并对其未来发展进⾏了展望。
关键字：合成孔径雷达合成孔径雷达⼲涉测量微波遥感影像1.发展简史合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）是⼀种⾼分辨率的⼆维成像雷达。
它作为⼀种全新的对地观测技术，近20年来获得了巨⼤的发展，现已逐渐成为⼀种不可缺少的遥感⼿段。
与传统的可见光、红外遥感技术相⽐，SAR 具有许多优越性，它属于微波遥感的范畴，可以穿透云层和甚⾄在⼀定程度上穿透⾬区，⽽且具有不依赖于太阳作为照射源的特点，使其具有全天候、全天时的观测能⼒，这是其它任何遥感⼿段所不能⽐拟的；微波遥感还能在⼀定程度上穿透植被，可以提供可见光、红外遥感所得不到的某些新信息。
随着SAR 遥感技术的不断发展与完善，它已经被成功应⽤于地质、⽔⽂、海洋、测绘、环境监测、农业、林业、⽓象、军事等领域。
L. C. Graham 于1974 年最先提出了合成孔径雷达⼲涉测量（InSAR ）三维成像的概念，并⽤于⾦星测量和⽉球观察。
后来Zebker、G. Fornaro及A. Pepe 等做出了进⼀步的研究,以解决InSAR 处理系统中有关基线估计、SAR 图像配准、相位解缠及DEM ⽣成等⽅⾯的问题。
⾃1991 年7 ⽉欧空局发射载有C 波段SAR 的卫星ERS- 1 以来，极⼤地促进了有关星载SAR 的InSAR 技术研究与应⽤。
由于有了优质易得的InSAR 数据源，⼤批欧洲研究者加⼊到这个领域，亚洲（主要是⽇本）的⼀些研究者也开展了这⽅⾯的研究。
⽇本于1992 年2 ⽉发射了JERS- 1，加拿⼤于1995 年初发射了RADARSAT，特别是1995 年ERS- 2 发射后，ERS- 1 和ERS- 2 的串联运⾏极⼤地扩展了利⽤星载SAR ⼲涉的机会，为InSAR 技术的研究提供了数据保证。
合成孔径雷达差分干涉测量
1. 只有形变对干涉图收到形变的影响； 2. 形变对于干涉图中形变不会影响有地面高程产生
的相位发生跳跃； 3. 地形对干涉图可以获得精确的DEM。
差分干涉测量的原理
四轨法
基本思想是选择四幅SAR图像，用其中 的两幅来生成DEM，另外两幅作变形监测。
三种方法比较
两轨法
优点：不需要相位解缠，减少了数据处理 的工作 量；避免了相位解缠引入的误差。
来消除地形相位。 在两轨法中，外部DEM的精度、空
间分辨率、插值方法及干涉基线对形 变量的精度都有显著的影响。
差分干涉测量的原理
三轨法
是由1994年由Zebker等人提出的，由 于该方法可以直接从SAR图像中提取出地 表形变信息，被认为是差分干涉模型最经 典的方法。
差分干涉测量的原理
三轨法
原理是采用三幅SAR图像，以其中的一幅作 为主图像，另外两幅作为从图像，可与主图像分 别生成两幅干涉图。
差分干涉测量在地震监测的应用
差分干涉测量地震监测的应用
差分干涉测量地震监测的应用
地震可以引起电离层异常
差分干涉测量在地表沉降监测的应用
谢谢观赏
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合成孔径雷 达差分干涉
测量
引言
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，简称SAR)，是一
种工作在微波波段的主动式微波成像传感器。它有效地解 决了雷达设计中高分辨率要求与大天线、短波长之间的矛 盾，使分辨率提高了数百倍。
合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture
缺点：已知DEM与InSAR干涉图像的配准存 在很大 困难。
dinsar概念
dinsar概念
"DInSAR"是差分干涉合成孔径雷达（Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar）的缩写。
它是一种利用合成孔径雷达（SAR）数据进行地表形变监测和测量的技术。
DInSAR技术基于雷达干涉原理，通过比较两个或多个不同时刻的SAR图像，利用相位差的变化来推断地表的形变情况。
具体来说，DInSAR技术使用两个或多个SAR图像的相干性信息，通过相位差的计算和分析，可以检测和测量地表的沉降、隆起、位移等形变现象。
DInSAR技术的关键是利用雷达波束的相干性来提取地表形变信息。
它可以应用于多个领域，如地质灾害监测、地下水抽采引起的地面沉降、地震活动引起的地表位移等。
DInSAR技术具有高精度、大范围、无需地面控制点等优点，因此在地表形变监测和地质灾害预警等方面具有广泛的应用前景。
需要注意的是，DInSAR技术的应用需要具备一定的雷达数据处理和解释能力，以及对地质地貌和形变机制的理解。
因此，它通常由专业的遥感和地球科学领域的研究人员和工程师来进行研究和应用。
RADARSAT-2 雷达卫星数据D-InSAR处理报告
相干。
2.4 基线估计
平行基线和垂直基线分量的估计精度对平地相位的计算和地形相位的模拟至关重要，地表 微小形变的监测依赖于高精度的基线参数，而目前卫星系统提供的精密轨道信息精度不高甚至 没有提供精密轨道信息，导致基线的估计精度偏低，出现系统性误差；目前常用的基线估计方 法有轨道法、条纹频率法和基于地面控制点的基线精化估计等。
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图 1 InSAR 几何原理图
如图 1 显示了重复轨道干涉测量所需关键参数及卫星轨道与地面目标的相对几何关系。S1 和 S2 分别表示主辅图像传感器，B 为空间基线，H 为主传感器相对地面的高度，R1 和 R2 分别 为主辅图像斜距，α为基线 B 与水平方向的倾角，θ 为主图像入射角，P 为地面目标点，h 为 P 点高程，P0 为 P 在参考平地上的等斜距点。B∥和 B⊥分别表示空间基线 B 在雷达视线方向 S1 与垂直视线方向上的投影。它们的表达式如下：
息，它是干涉测量技术赖以实现的关键信息。根据波动方程，两次的回波信号可用复数分别表
示为：
S(R1) A(R1) exp(i (R1)) S(R2 ) A(R2 ) exp(i (R2 ))
(1-2)
其中，A(R1)、A(R2)为两回波的振幅，ψ(R1)、ψ(R2)为回
波相位。从式（1-2）可以看出，雷达回波的振幅与相位都是雷达天线到目标 P 的路径的函数。
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RADARSAT-2 雷达卫星数据 D-InSAR 处理报告
1 InSAR地表形变监测理论
雷达卫星地表形变监测通常是通过 D-InSAR 技术来实现，此技术是由 InSAR 技术发展而 来的，因此，首先需要介绍 InSAR 测量基本原理。
利用合成孔径雷达差分干涉测量技术监测伊朗Bam地震同震形变场
（ 东科技 大学 测绘科 学与 工程 学院 ， 东 青 岛 ２ ６ １） 山 山 ６ ５０
摘 要： 介绍 了差分干 涉测量 的原理 、 差分干 涉数 据对的选取 方法 ， 以及三轨 法差 分干 涉测 量数 据处 理 的流程 。利 用星载合 成 孔径 雷达 差分 干 涉 （ — Ｓ Ｒ） 量技 术 和 Ｅ Ｖ Ｓ Ｔ Ａ Ａ 雷达 数据 对 ＤＩ Ａ 测 ｎ Ｎ ＩＡ Ｓ Ｒ
ｄｆ ｒ ｔｌ ｎ ｒ ｒ ｔｃｏ ｙ ｔｅ ｃａｅ ｕｅｒｄｒ Ｄ ＩＳ Ｒ） ｅｈ ｉｕ ｎ ｅＥ Ｖ Ｓ ＴＡ Ａ ａ ｉｅｅ ｉ ｔ ｆ ｏ ｒ ｎｓｎｈ ｔ ｐ ｒ ｒ ａ ａ（ — Ａ ｔ ｎｑ ｅａ ｄｔ Ｎ ＩＡ Ｓ Ｒｄ— ｆ ｎ ａ ｉ ｅ ｅ ｍｅ ｉ ｉ ｔ ｎ ｃ ｈ
有效的工具 。
关键 词 ： 分 干涉 测 量 ； 成 孔 径 雷 达 ； 表 形 变 ； 差 合 地 相干 图 ： 朗 Ｂ ｍ 地震 伊 ａ 中 图分 类 号 ： ２７ Ｐ ２ 文 献 标 识码 ：Ａ 文 章 编 号 ： ０ ０— ８４（０８ ０ ０ １ ０ １０ ０４ ２ ０ ）４— ３０— ７
２０ ０ ３年 ｌ ２ ２月 ６日伊 朗 Ｂ ｍ６ ５级地震 引起 的地 表形 变场 进行 了测量试验 ， 功地 获取 了 Ｂｍ 地 ａ ． 成 ａ 震 的蝴蝶状 的同震形 变场 生成 了地表 形 变的等值 线 图 ， 并且根 据 相 干 图确 定 了地震 造 成破坏 最严
重的 区域 的位 置 、 分布及 面积 。试验证 明 Ｄ ｌＳ Ｒ技 术是 地表 形 变测量 和地 震研 究 的一 个强大和 — Ａ ｎ
Ａ ｓ ａｔＴ ｅｐ ｎｉｌ ｏ ｉｅｅｔ ｌ ｎ ｒ ｒ ｅ ｉ Ｄ Ｉ ）ｔ ｈ ｉｕ 。 ｈ ｔｏ ｒ ｅ ｃｉ ｒｐｒ ｂｔ ｃ： ｈ ｒ ｃ ｅ ｆ ｆ ｒｎｉ ｔ ｆ ｏ ｔｃ（ ・ ｒ ｉ ｐ ｄｆ ａ ｉｅ ｅ ｍ ｒ ｎ ｅ ｎｑ ｅ ｔｅｍｅ ｄｆ ｌ ｔ ｇｐｏｅ ｃ ｈ ｏ ｓｅ ｎ
遥感问答之SAR、InSAR、D-InSAR
遥感问答之SAR、InSAR、D-InSAR ⼩课堂在地质灾害监测相关场合中经常会出现“SAR”、“InSAR”、“D-InSAR”这些名词的⾝影，那么是如何⼯作的？针对这些问题，在什么是SAR？ SAR有什么特征？InSAR、D-InSAR是如何⼯作的？究竟什么是这⾥和⼤家⼀起学习⼀下关于SAR的那些事。
什么是SAR？SAR是指雷达成像系统中的合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar），与之相对的是真实孔径雷达（Real Aperture Radar，RAR）。
SAR图像和光学图像的对⽐（姜秀鹏等，2016）为了突破真实孔径雷达成像分辨率受天线长度的限制，通过将天线搭载在移动的平台上（如飞机、卫星等），使之沿直线运动，在不同位置上接收同⼀地物的回波信号，进⽽对地物多次回波信号进⾏相关解调压缩处理，“延长”雷达天线的长度，使其具有更⾼分辨率的成像能⼒。
国际上主流SAR成像系统的分辨率已可达⽶级甚⾄亚⽶级,如德国的TerraSAR-X（1m）、美国的FIA系列（0.3或0.1m）等，与光学成像系统相⽐也不逊⾊。
2016年8⽉成功发射的⾼分三号（GF-3）卫星是我国⾸颗分辨率达到1ｍ的多极化合成孔径雷达（SAR）成像卫星,⾃2017年1⽉投⼊使⽤后，已在多个领域展开应⽤。
SAR为什么能够“全天候”、“全天时”？据统计，地球上有40%～60 %的地区经常被云层覆盖，⽽在地质灾害频发的⼭地地区，云覆盖程度更甚。
在这种情况下，⼀般很难利⽤光学遥感来进⾏观测，⽽微波传感器却有能够穿透云⾬的能⼒，能够在云层覆盖的情况下对地物进⾏观测。
微波传感器（ASAR，灰⾊图）的云穿透效果，彩⾊底图底图为光学传感器（MERIS）（图源：Space in Images© ESA）根据传感器能够接受电磁波频率的不同，可将对地观测系统⼤致可分为两类，即光学遥感和微波遥感。
微波的波长处于1mm～1000 mm范围内，⾜够长的波长使其能够绕过云层的粒⼦结构进⾏传播，也就是“衍射现象”；波长⼤于3 cm的微波甚⾄可以在⼤⾬环境下传播。
DInSAR技术资料整理
DInSAR全称Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达差分干涉测量技术。
➢InSAR技术提取地表DEM，需要假设两次成像期间，地表没有发生变化，地物产生的随机相位也是不变的。
➢而DInSAR则是一种根据多期SAR数据，获取地表形变信息的方法之一。
根据差分干涉所需影像的多少，DInSAR可以分为：二轨法，三轨法和四轨法。
⏹二轨法：利用两景影像，主影像为形变后获取的数据，辅影像为地表形变前获取的数据。
将两者进行干涉处理，生成干涉图，干涉图中包括地形相位和形变相位，然后引入外部DEM数据，将DEM数据模拟成地形相位，从干涉图中减去，即可得到地表的形变相位。
优点：所需SAR数据少缺点：外部引入的DEM包含的误差会影响最终的差分干涉结果流程图：⏹三轨法：利用三景影像，其中两景是形变发生前获取的数据，另一景是形变后获得的，选区形变前后两景影像中的一景为主影像，其余为辅影像，分别和主影像进行配准，这样便生成两组干涉相位，一组是形变前的，只有地形信息；一组是形变后的，包含形变信息和地形信息；然后将形变后干涉相位减去已经解缠的形变前的相位，得到只含有形变信息的干涉相位，最后进行相位解缠，相位转高程和地理编码，获取地表的形变信息。
优点：无需外部DEM数据及其引入的DEM误差；缺点：需要进行相位解缠，解缠结果的好坏直接影响差分的结果；流程图：四轨法：与二轨法类似，但是不需要外部引入的DEM数据，需要四景影像；基本思路是将形变发生前获取的两幅影像进行干涉处理，得到形变前的干涉相位，只包含地形信息；然后将形变后的两景影像进行干涉处理，得到形变后的干涉相位。
从形变后的干涉相位中减去形变前的干涉相位，得到地表的形变相位，然后相位解缠，得到差分干涉图。
流程图：InSAR获取DEM条件：两期影像获取期间地物没有明显的形变，且地物产生的随机相位是相同的；流程图：。
空间大地测量(sar和insar)
关于InSAR和D-InSAR的数据处理一、合成孔径雷达干涉技术（InSAR）合成孔径雷达干涉技术出现于20世纪60年代末.它是SAR与射电天文学干涉测量技术结合的产物。
当SAR扫过地面同一目标区域时,利用成像几何关系,通过成像、一些特殊的数据处理和几何转换,即可提取地表目标区域的高程信息和形变信息。
由于InSAR 技术有效利用了SAR的回波相位信息,测高精度为米级甚至亚米级,而一般雷达立体测量方法只利用灰度信息来实现三维制图,测高精度仅能达到数十米,因此该技术迅速引起了地学界及相关领域科研工作者的极大兴趣,现已成为微波遥感领域的研究热点.干涉合成孔径雷达利用多个接收天线观测得到的回波数据进行干涉处理，可以对地面的高程进行估计，对海流进行测高和测速，对地面运动目标进行检测和定位。
接收天线相位中心之间的连线称为基线，按照基线和航向的夹角，人们将InSAR分为基线垂直于航向的切轨迹干涉和沿航向的顺轨迹干涉。
切轨迹干涉可以快速提取地面的三维信息，顺轨迹干涉主要用于动目标检测和海洋水流与波形测量。
二、InSAR 基本原理InSAR 测量模式主要有两种:一种是双天线单轨(Single Pass)模式,主要用来生成数字高程模型,一般用于机载SAR;另一种是双轨(Two Pass) 模式,主要用于获取地表变形,一般用于星载SAR.下面以重复轨道干涉测量为例,简要介绍InSAR 技术的基本原理(见图1).假设卫星以一定的时间间隔和轨道偏离(通常为几十米到1km 左右)重复对某一区域成像,并在两次飞行过程中处于不同的空间位置1S 和2S ,则空间干涉基线向量为B,长度为B;基线向量B 与水平方向的夹角为基线倾角α。
1S 和2S 至地面点P 的斜距分别为R 和R+△R;将基线沿视线方向分解,得到平行于和垂直于视线向的分量||B 、'B ;H 为1S 到参考面的高度;从1S 发射波长为λ的信号经目标点P 反射后被1S 接收,得到测量相位1ϕ,114arg{}R u πϕλ=+(1)同样,另一空间位置2S 上测量到相位2ϕ，224()arg{}R R u πϕλ=+∆+（2）式中,arg{1u }和arg{2u }表示不同散射特性造成的随机相位.假设两幅图中随机相位的贡献相同,则1S 和2S 关于目标P 点的相位差124R πφϕϕλ=-=-∆（3） 也称为干涉相位,可由经过配准的两幅SAR SLC 图共扼相乘得到.根据图1中的几何关系并利用余弦定理可得: 222()sin()2R B R R RBθα+-+∆-=（4） cos h H R θ=-（5）由于R R ∆且R B ，则||sin()R B B θα∆≈-=（6） (4)、(5) 两式即为In SAR 确定高程的原理性公式.三、合成孔径雷达差分干涉测量(D-InSAR)D-InSAR 技术是在主动式微波合成孔径雷达 SAR 相干成像基础上发展起来的,它以合成孔径雷达复数据提供的相位信息为信息源,可从包含目标区域地形和形变等信息的一幅或多幅干涉纹图中提取地面目标的微小形变信息。
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三种方法比较
三轨法
优点：无需知道外部DEM就可以得到地面位移引起 的相位差，特别是适用于缺少高精度DEM数据的 地区。与四轨法相比的优点是，由于几何参数相 同，故不需要考虑另外的匹配和重采样。 缺点：地形对需要相位解缠，其解缠精度的优劣直 接影响到后续的处理。
三种方法比较
四轨法
优点：弥补了三轨法有时不能生成DEM或者图像相 关性差的不足。 缺点：由于使用两个独立的干涉对（需要四景数 据），故数据选择受到限制。
1. 只有形变对干涉图收到形变的影响； 2. 形变对于干涉图中形变不会影响有地面高程产生 的相位发生跳跃； 3. 地形对干涉图可以获得精确的DEM。
差分干涉测量的原理
四轨法
基本思想是选择四幅SAR图像，用其中 的两Hale Waihona Puke 来生成DEM，另外两幅作变形监测。
三种方法比较
两轨法
优点：不需要相位解缠，减少了数据处理 量；避免了相位解缠引入的误差。 缺点：已知DEM与InSAR干涉图像的配准存 困难。 在很大 的工作
差分干涉测量的原理
如图所示，S．、S2和 S3分别为卫星三次对同一地 区成像的位置(即成像时雷达 天线的位置)。则经相位干涉 处理，由S。和S2可生成一 幅干涉图，s，和S 可生成 另一幅干涉图，利用这两幅 干涉图进行差分处理，即所 谓的差分雷达干涉测量。
差分干涉测量的原理
两轨法 其基本思想是利用已知的外部DEM 来消除地形相位。 在两轨法中，外部DEM的精度、空 间分辨率、插值方法及干涉基线对形 变量的精度都有显著的影响。
差分干涉测量在地震监测的应用
差分干涉测量地震监测的应用
差分干涉测量地震监测的应用
地震可以引起电离层异常
差分干涉测量在地表沉降监测的应用
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Radar，简称InSAR)是SAR的新发展，是最新发展起来的 一种空间对地观测技术。它是把合成孔径雷达产生的单视 复数图像中的相位提取出来，进行干涉处理而得到目标点 三维信息的一种新技术
差分干涉测量的原理
基本原理 合成孔径雷达干涉测量原理在很 多文献中已有详细介绍。现在将以星 载重复轨道为例简要介绍差分合成孔 径雷达干涉基本原理。
合成孔径雷达差分干涉测量原理
黑龙江工程学院 测绘学院 摄影测量与遥感系
引言
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，简称SAR)，是一
种工作在微波波段的主动式微波成像传感器。它有效地解 决了雷达设计中高分辨率要求与大天线、短波长之间的矛 盾，使分辨率提高了数百倍。
合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture
差分干涉测量的原理
差分干涉方 法
两轨法 三轨法 四轨法
所需数据
两景图像和一个 DEM 三景SAR图像 四景SAR图像
DEM
外部 由一个InSAR像 对形成 由一个InSAR像 对形成
解缠
不需要 需要 需要
差分干涉测量的应用
目前D-InSAR的应用主要集中在地震 同震形变场的监测、火山形变的监测、冰 川运动的监测、地面沉降的监测等领域。
差分干涉测量的原理
三轨法
是由1994年由Zebker等人提出的，由 于该方法可以直接从SAR图像中提取出地 SAR 表形变信息，被认为是差分干涉模型最经 典的方法。
差分干涉测量的原理
三轨法
原理是采用三幅SAR图像，以其中的一幅作 为主图像，另外两幅作为从图像，可与主图像分 别生成两幅干涉图。
基于三种假设：